Hvorfor flipper jordens magnetfelt i løpet av historien? Hvilke forsøk har blitt gjort for å modellere dette fenomenet matematisk?


Paleomagnetologen Michael Fuller er en emeritus professor fra University of California, Santa Barbara og nå en senior forsker ved University of Hawaiis naturvitenskapelige og naturvitenskapelige institutt i sitt institutt for geofysikk og planetologi. Hans forskning har konsentrert seg om polarforskyvninger fra magnetrekordene fanget i hawaiisk lavas og på corings fra havbunnen.

Paleomagnetologen Michael Fuller er en emeritus professor fra University of California, Santa Barbara og nå en senior forsker ved University of Hawaiis naturvitenskapelige og naturvitenskapelige institutt i sitt institutt for geofysikk og planetologi. Hans forskning har konsentrert seg om polarforskyvninger fra magnetrekordene fanget i hawaiisk lavas og på corings fra havbunnen. Her er hans forklaring.

Vi vet fra magnetiske plater låst i bergarter at jordens magnetfelt har reversert mange ganger i fortiden. Vi vet egentlig ikke hvorfor, men vi har noen teorier som bæres ut i matematiske modeller.

Vi vet også at solens magnetfelt reverserer også - hvert 11. år, mens jordens reverserer uregelmessig. Den siste geomagnetiske reverseringen for jorden var ca 780 000 år siden. Den historiske reverseringsraten for jorda ser ut til å være en gang hvert par hundre tusen år, men den har variert mye; I minst to tilfeller har feltet opprettholdt en polaritet i flere millioner av år.

Bilde: National Geophysical Data Center

GEODYNAMO. Bevegelse i jordens flytende kjerne genererer planetens magnetfelt.

Dermed er de eneste to magnetfeltene som vi har noen signifikant historisk rekord - jordens og solens - bistabil. De tilbringer mesteparten av tiden i en stabil tilstand med magnetfeltet justert omtrent med rotasjonsaksen. Formen til det stabile geomagnetiske feltet er som det for en barmagnet i midten av jorden. Det er det som kalles et dipolfelt - med en nord- og sørpol. Men noen ganger bytter dette dipolfeltet polaritet - nord og sør omvendt - og denne prosessen ser ut til å ta noen tusen år.

Jordens felt, som solens, er produsert av dynamohandling, som involverer to prosesser. Den første er opprettelsen av nye magnetfelt fra det omgivende geomagnetiske feltet. Denne "feltregenerering" finner sted fordi magnetfeltlinjer er fanget i gode elektriske ledere, slik som smeltet jern av jordens ytre kjerne. Som Michael Faraday demonstrerte, hindres bevegelse av en feltlinje av en elektrisk strøm som flyter for å motsette seg denne endringen. Fordi smeltet jern i kjernen er en god elektrisk leder, er feltet fanget i væsken - den frosne felteffekten. Feltet bæres sammen med væsken når det beveger seg som svar på de krefter som påføres det. Når kjernen beveger seg, blir feltlinjene strukket og vridd, og et nytt magnetfelt opprettes.

Bilde: National Geophysical Data Center

DIPOLE MAGNET. Magnetfeltet ligner en som ville bli produsert av en gigantisk barmagnet i jordens kjerne.

Den andre prosessen er diffusjonen av magnetfeltene. På samme måte som en dråpe farget fargestoff i et svømmebasseng vil snart diffundere gjennom bassenget, diffunderer en konsentrasjon av magnetfeltlinjer gjennom hele verdens kjerne. Likevel må denne diffusjonen foregå mot den frosne felteffekten.

Balansen mellom disse to prosessene bestemmer utviklingen av magnetfeltet - nemlig om feltet faller bort eller regenereres. På stor skala av stjerner og planeter blir feltlinjene fanget opp i væskebevegelsen og forvrengt. De genererer deretter et nytt magnetfelt før de diffunderer unna.

Det geomagnetiske feltet varierer kontinuerlig. Forfallstid for den viktigste dipoldelen av det geomagnetiske feltet, hvis konstantitet og enkel geometri tillater navigasjon med magnetiske kompasser, er sannsynligvis i nabolaget på 15.000 år. Den største delen av denne variasjonen innebærer mindre egenskaper i ikke-dipolfeltet, som har mindre tidskonstanter og mer kompliserte geometrier. Variasjonen må antakelig skyldes små endringer i begge de to prosessene som gir dynamo-virkningen, eller begge deler.

Så de sjeldne feltet reverseringer er mest sannsynlig forårsaket av større endringer i strømmen i den ytre kjerne, eller i måten feltlinjene blir viklet inn i strømmen ved diffusjon. Hva som forårsaker slike store endringer er ikke kjent. Faktisk kan det være at slike svingninger bare er ekstreme eksempler på kontinuumet av fluktuasjoner i dynamoprosessene - en El Nino i væren til ytre kjerne.

For flere år siden oppnådde Gary A. Glatzmier fra Los Alamos National Laboratory og Paul H. Roberts fra University of California, Los Angeles et bemerkelsesverdig gjennombrudd i den matematiske modelleringen av det geomagnetiske feltet. De løste likningene til elektromagnetisme og magnetohydrodynamikk for den ytre kjerne og derved oppnådde en datasimulering av det geomagnetiske feltet.

Simuleringen ga relativt lange perioder, da feltet var grovt rettet mot rotasjonsaksen, som ble separert ved en rask avspilling av polene. Under denne simulerte reverseringen ble ikke-dipolfeltet dominerende. Forsøk er nå på vei for å fastslå morfologien til overgangsfeltene under reverseringer. Og det er håpet at disse resultatene vil inspirere enda mer realistiske modeller og en bedre forståelse av geodynamoens arbeid.

Oppdatert 13. april 1998


Gary A. Glatzmaier fra Institutt for geofysikk og planetfysikk ved Los Alamos nasjonale laboratorium forklarer datamodelleringen av feltomvendelser.

Den første dynamisk konsistente, tredimensjonale datasimuleringen av geodynamoen (mekanismen i jordens væske ytre kjerne som genererer og opprettholder det geomagnetiske feltet) ble utført og publisert av Paul H. Roberts fra University of California i Los Angeles og meg selv i 1995. Vi programmerte superdatamaskiner til å løse det store settet av ikke-lineære ligninger som beskriver fysikken til væskebevis og magnetfeltgenerering i jordens kjerne.

Bilde: Gary A. Glatzmaier, Paul H. Roberts

COMPUTER SIMULATION viser en magnetisk pol reversering som foregår over en periode på ca. 1000 år. Magnetiske feltlinjer er blå der feltet er rettet innad og gul hvor den er rettet utover.

Det simulerte geomagnetiske feltet, som nå spenner over ekvivalent på over 300.000 år, har en intensitet, en dipol-dominert struktur og en vestlig drift på overflaten som alle ligner jordens virkelige felt. Vår modell spådde at den faste indre kjernen, som er magnetisk koblet til den østlige væskestrømmen over den, skulle rotere litt raskere enn jordens overflate. Denne prediksjonen ble nylig støttet av studier av seismiske bølger som passerte gjennom kjernen.

I tillegg har datamodellen produsert tre spontane reverseringer av det geomagnetiske feltet i løpet av 300.000-årig simuleringen. Så nå har vi for første gang tredimensjonale, tidsavhengige, simulerte opplysninger om hvordan magnetiske reverseringer kan oppstå. Prosessen er ikke enkel, selv i vår datamodell. Væskebevis forsøker å reversere feltet på noen få tusen år, men den faste indre kjernen forsøker å forhindre reverseringer fordi feltet ikke kan forandres (diffus) i den indre kjerne nesten like raskt som i væsken, ytre kjerne.
Kun i sjeldne tilfeller utvikler termodynamikken, væskebevegelsene og magnetfeltet alle på en kompatibel måte som gjør det mulig for det opprinnelige feltet å diffundere helt ut av den indre kjerne, slik at den nye dipolpolariteten kan diffundere inn og etablere et reversert magnetfelt. Den stokastiske (tilfeldige) naturen til prosessen forklarer sannsynligvis hvorfor tiden mellom reverseringer på jorden varierer så mye.
Svar opprinnelig postet 6. april 1998.

Siste nytt

"Jesu evangeliums ektemann" vist å være ekte i testSecretive Bezos-Funded Group avslører Spacecraft Plan DetaljerGiant Antarctic Ice Shelf Crack truer med å bli et massivt isbergHurtigvoksende hav som er satt for å frigjøre varme inn i atmosfærenNye EPA-bensinregler hjelper presidentens klimagruppeVellykket malariavaksine viser også effektive hos spedbarnForskere lager ny solcelle4 nye innovasjoner for å energisere verden